智能传感器技术综述

智能传感器技术综述

孙小春

( 杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100)

摘要：笔者在介绍智能传感器基本结构的基础上,阐述了智能传感器主要功能特点，并分析说明了智能传感器的实现途径，最后归纳总结了智能传感器技术的发展趋势和广阔前景。

关键词：智能传感器； 集成； 补偿

收稿日期：2015-04-14

作者简介：孙小春(1976-)，女，陕西富平人，硕士研究生，讲师，主要从事电气自动化方面的教学与科研。

中图分类号：TP332； TG53

Summary of Intelligent Sensor Technology

SUN Xiao-chun

(Yangling Vocational and Technical College, Yangling, Shaanxi 712100, China)

Abstract:This paper describes the main function characteristics of the intelligent sensor firstly, and then expounds the way to realize the intelligent sensor, finally summarizes its development trend on the basis of the introduction of architecture of intelligent sensor.

Key words: intelligent sensor; integration; compensation

1智能传感器概述

近年来，测控领域对传感器性能的要求越来越高。比如航天飞机上的检测项目有飞行速度、位置、姿态及机舱内温度、压力、加速度、空气成分等，这些参数都是用传感器检测的。为保证飞行过程的安全可靠，不仅要求传感器测量精度高、反应迅速、工作稳定，而且要求具有数据分析处理和存储功能，同时能够实现分析判断、远程通信等功能。又如在工业方面有时需要把多台异地传感器的数据进行浏览和共享等。可见，传统测控传感器由于其检测功能比较单一、体积较大、性能不完善等特点，已不能满足应用需求，此时必须使用性能更好的传感器才能完成不同测控项目的测量。

随着计算机、微处理技术、半导体集成技术的发展，微处理器和存储器不断进步，敏感元件与信号处理电路有可能集成在同一芯片上，使传感器能够实现更完善、更先进的功能，故智能传感器将成为现实。智能传感器是一种带微处理器具有数据检测分析和处理和逻辑判断功能的传感器。它涉及微机械、微电子、信息处理、计算机技术、传感器检测、监控技术等。智能传感器是将传感器信息检测的功能与微处理器(CPU)处理信息的功能有机地结合起来，它弥补了传统传感器性能的不足[1]。信号的输出方式可以采用串行或者并行输出。智能传感器的基本结构框图如图1所示：

图1　智能传感器基本结构框图

2智能传感器功能

智能传感器比传统传感器在功能上有了极大的提高[2]，具有自校准和自诊断、自动进行分析、判断和处理、数据的存储和记忆等功能；另外标准化数字输出可方便地与计算机或接口总线相连，这是智能传感器关键的标志之一。

3智能传感器的实现途径

通常普通的传感器只在本身各个环节进行精心设计与调试，而智能传感器则是增加微处理器，采用集成电路和芯片等，再配备强大的软件来实现的。

3.1　非集成化

非集成化智能传感器是在传统非集成传感器的基础上改装而成的。它主要是附加一块有数字总线的微处理器，并配备有可用于控制、校正和补偿、诊断的智能化软件，实现传感器的智能化。

例如美国罗斯蒙特公司生产的电容式智能压力(差)变送器，就是在原有传统非集成化电容式变送器的基础上附加了一块带有数字总线接口的微处理器后组装而成的。

3.2　集成化

大规模集成电路技术和微机械加工技术的迅猛发展，为传感器向集成化、智能化方向发展奠定了基础，集成智能传感器在应用领域成为传感器发展的新趋势。这种传感器采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅材料来制作敏感元件、信号调制电路以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上。因此亦称硅传感器或单片集成传感器。集成智能传感器具有微型化和结构一体化的优势，从而提高了精度和稳定性。集成化智能传感器为达到很强的自适应性、精度高、可靠性与稳定性较好的特点，经常采用两种趋势，一为多功能与阵列化，配备软件信息处理功能；二是发展谐振式传感器，配备软件信息处理功能。 例如美国霍尼韦尔公司在20世纪80年代初期生产的ST-3000型智能压力和温度变送器，就是在一块硅片上制作了可感受压力、压差及温度三个参量的敏感元件。

3.3　混合实现

根据需要将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号处理单元、微处理器单元、数字总线接口等，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里，则构成混合式智能传感器，这种方式容易实现，因此目前这类结构传感器的使用比较广泛。

4智能传感器未来发展趋势

智能传感器技术是一门涉及多种学科、多个领域的高新技术，随着当前科学技术的不断提高，其主要发展趋势及新技术包括以下几个方面。

4.1　微传感器

近年来微电子机械加工技术(MEMT)已获得飞速发展，成为开发新一代微传感器(Microsensor)、微系统的重要手段。微传感器主要包含微型传感器、CPU、存储器和数字接口，并具有自动补偿、自动校准功能，其特征尺寸已进入到从微米到毫米的数量级。微传感器的优点有小体积、低成本、高可靠性等优点。

比如，利用MEMT技术加工生产的加速度计，已是汽车安全气囊触发器的首选产品。还有利用MEMT 研制出了新一代喷墨打印头和用来测量血液流量的微型压力传感器。

4.2　多传感器数据融合

数据融合技术是20 世纪 70 年代初由美国最早提出的。与单传感器测量相比，多传感器融合技术[3]具有无可比拟的优势。例如，当人们用单眼和双眼分别去观察同一物体，这时在大脑神经中枢所形成的影像就不同，双眼观察更具有立体感和距离感，这主要是因为用双眼观察物体时，虽然两眼的视角不同，所得到的影像也不同，经过融合后会形成一幅新的影像，这就是一种高级融合技术。多传感器数据融合技术原理同人脑处理信息的过程相似，它先利用多个传感器同时进行信息检测，然后用计算机对这些信息进行综合分析处理和判断，得到监控对象的客观数据。

采用多传感器数据融合技术可提高信息的可信度，增加监控目标特征参数的种类和数量，可获得一个全方位、全面的检测数据。比如普通汽车上大约装有十几只传感器，分别安装在汽车发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中，用来检测温度、压力、转速和角度、流量、位置、气体浓度等。此外还有振动、变速器、悬架系统控制、动力转向系统、汽车防抱死系统、车身控制用等方面的传感器；数据融合技术应用在飞机上可以同时检测飞行速度、位置、姿态及机舱内温度、压力、加速度、空气成分等，提高了飞机的监控精度。因此传感器的数据融合可以提高监控目标的综合性能指标。该项技术也同样适用于卫星导航、工业自动化、医学诊断等多个测控领域。

通常在多传感器融合时可将多个相同传感器(或敏感元件)集成在同一个芯片上，也可把不同类的传感器集成在一个芯片上。

4.3　网络化

计算机网络技术和智能传感器相结合就形成了网络化智能传感器。

网络化[4]就是监控现场就近登录计算机网络，这样可使传统测控系统的信息采集、数据处理等方式产生质的飞跃，能够实现各种现场数据直接在网络上传输、发布与共享。多台异地传感器也可以利用 Internet 网络这个平台，进行信息互换和浏览。传感器生产厂家也可以直接与异地用户进行信息交流，比如进行传感器故障诊断、用户指导和维修等工作。随着网络技术的发展，测控系统特别是远程测控正向网络化、分布式和开放式的方向发展，网络化智能传感器系统将会获得越来越广的应用。

美国 Honeywell 公司推出的网络化智能精密压力传感器，它将压敏电阻传感器、A/D 转换器、微处理器、存储器和接口电路于一体，不仅达到了高性能指标，借助于网络方便了用户进行信息传输和共享，被广泛使用于工业自动控制、环境监测、医疗设备等领域。近几年，各种基于网络的嵌入式网络测控系统也得到了迅速发展。

4.4　蓝牙传感器

“蓝牙” (Bluetooth)技术是一种能取代固定式或便携式电子设备上的电缆或连线的短距离无线通信技术，蓝牙芯片可安装在任何数字传感器测控设备中，实现无阻隔的无线数据传输。

美国北欧集成电路(Nordic)公司先后推出基于蓝牙技术的射频收发器，它可以广泛用于遥测遥控、工业控制、数据采集系统、车辆安全系统、德国正在研制一种只有豌豆大小的无线传感器网络系统，供操纵机器人、监护病人使用。

4.5　纳米和生物传感器

国外已经研制出了基于纳米和生物技术的分子级电器，比如纳米开关、纳米电机等；此外利用微电子技术集成的微生物传感器化学分析系统也广泛用于医疗卫生、生物制药、环境监测等领域进行相关数据的检测和分析，其效率是传统检测手段的成百上千倍。国内外已研制出多种生物芯片，如基因芯片、蛋白质芯片，还有可置入人体的生物芯片等。

4.6　智能材料的开发利用

智能材料可以由敏感元件或传感器等和传统材料结合而形成。智能材料和普通材料相比它的特点是具有自我诊断，自我修复，并可根据实际情况实现控制功能—发出优化反应。未来智能材料开发利用主要包括数据信息注入材料的途径、方式以及功能效应、信息流在智能材料内部的转换机制等。

5总结

智能传感器和传统传感器相比在精度、可靠性、信噪比分辨率、自适应性等方面都有优势。它将对人类未来的生活产生深远影响。它改变了原有传统传感器的设计理念和应用模式，代表着将来传感器技术的发展趋势。它将微处理技术引入传感器，使传感器具有了一定的智能。它在信息获取、处理等方面提供了一种全新的方法，增加了检测参数的种类、数量，提高了信息处理技术，可获得一个全方位、全面的检测数据，特别适用于工作人员不适合直接测量的监控领域。智能传感器由于其几乎包括了仪器仪表的全部功能，随着控制技术、微机电和纳米、智能材料的开发等新技术的不断发展和应用，其功能将会得到进一步完善，性能将会进一步提升，也必将推动测控技术的不断发展。

参考文献：

[1]高国富.智能传感器及其应用[M].北京：化学工业出版社， 2005.

[2]孙圣和.现代传感器发展方向[J].电子测量与仪器学报， 2009,(1)：8-9.

[3]赵玉刚.传感器基础[M]. 北京：中国林业出版社，2006.

[4]井云鹏.智能传感器的应用与发展趋势展望[J].黑龙江科技信息，2013，(21):112.